Przegląd
Izotopy potasu i argonu
Izotopy, na których opiera się system KAr to potas (K) i argon (Ar). Potas, metal alkaliczny, ósmy najbardziej rozpowszechniony pierwiastek na Ziemi, występuje w wielu skałach i minerałach skałotwórczych. Ilość potasu w skale lub minerale jest zmienna i proporcjonalna do zawartości krzemionki. Dlatego też skały i minerały mafickie zawierają często mniej potasu niż taka sama ilość skał i minerałów krzemionkowych. Potas może zostać zmobilizowany do skały lub minerału lub z nich usunięty w wyniku procesów przeróbki. Ze względu na stosunkowo dużą masę atomową potasu, frakcjonowanie poszczególnych izotopów potasu jest nieznaczne. Izotop 40K jest jednak radioaktywny i dlatego jego ilość z czasem ulega zmniejszeniu. Dla celów systemu datowania KAr względna obfitość 40K jest tak mała, a jego okres połowicznego zaniku tak długi, że jego stosunek do innych izotopów potasu jest stały.
Argon, gaz szlachetny, stanowi około 0,1-5% dzisiejszej atmosfery Ziemi. Ponieważ jest on obecny w atmosferze, każda skała i minerał będą zawierały pewną ilość argonu. Argon może być wprowadzony do skały lub minerału lub z nich usunięty w wyniku procesów przemiany materii i procesów termicznych. Podobnie jak potas, argon nie może być znacząco frakcjonowany w przyrodzie. Jednakże, 40Ar jest produktem rozpadu 40K i dlatego jego ilość z czasem wzrasta. Ilość 40Ar wytwarzanego w skale lub minerale w czasie może być określona przez odjęcie ilości znanej jako zawarta w atmosferze. Robi się to wykorzystując stały stosunek 40Ar/36Ar w atmosferycznym argonie. Stosunek ten wynosi 295,5.
Radioaktywny rozpad izotopu macierzystego na izotop pochodny
Jądra naturalnie występującego 40K są niestabilne, rozpadają się ze stałą szybkością (okres półtrwania = 1,25 mld lat). Schemat rozpadu to wychwyt elektronów i rozpad pozytonów. Około 89% atomów 40K rozpadnie się do 40Ca. Dla systemu datowania K/Ar, ten schemat rozpadu do izotopów wapnia jest ignorowany. Pozostałe 11% atomów 40K rozpada się na 40Ar. To właśnie ten schemat sprawia, że metoda K/Ar działa.
Powstawanie radiogenicznego 40Ar (40Ar*) w układzie zamkniętym można wyrazić równaniem:
Technika datowania K/Ar
Ogólne założenia systemu datowania potasowo-argonowego
Pewne założenia muszą być spełnione, zanim wiek skały lub minerału będzie można obliczyć za pomocą techniki datowania potasowo-argonowego. Są to:
- Dany materiał jest systemem zamkniętym. Innymi słowy, żaden radiogeniczny 40Ar nie wydostał się ze skały/minerału od momentu jej uformowania. W przypadku minerałów wulkanicznych oznacza to gwałtowne ochłodzenie. Podobnie potas nie został pozyskany ani utracony.
- Wprowadza się poprawkę na argon atmosferyczny (40Ar ze stosunku 40Ar/36Ar = 295,5 odjęty).
- Żaden nieatmosferyczny 40Ar nie został włączony do skały/minerału podczas lub po jej uformowaniu.
- Izotopy potasu w skale/minerale nie uległy frakcjonowaniu, z wyjątkiem rozpadu 40K.
- Stałe rozpadu 40K są dokładnie znane.
- Ilości 40Ar i potasu w skale/minerale są dokładnie określone.
Określanie wieku metodą K/Ar
Po dokładnym zmierzeniu zawartości 40Ar i potasu w skale/minerale należy obliczyć ilość 40K (na podstawie względnej obfitości 40K w stosunku do całkowitej ilości potasu) i 40Ar* (radiogeniczny 40Ar). Metoda K/Ar wykorzystuje spike (znaną ilość) 38Ar zmieszanego z argonem wyekstrahowanym ze skały/minerału w celu określenia ilości 40Ar*. Uzyskane w ten sposób 40Ar* i 40K można wstawić do równania wieku w następujący sposób:
Problemy i ograniczenia techniki datowania K/Ar
Ponieważ technika datowania K/Ar polega na określeniu bezwzględnych obfitości zarówno 40Ar, jak i potasu, nie ma niezawodnego sposobu określenia, czy założenia są ważne. Utrata argonu i nadmiar argonu to dwa powszechne problemy, które mogą powodować błędne wyznaczenie wieku. Utrata argonu występuje, gdy radiogeniczny 40Ar (40Ar*) wytworzony w skale/minerale ulatnia się po jakimś czasie od jej uformowania. Alteracja i wysoka temperatura mogą uszkodzić siatkę skały/minerału na tyle, by umożliwić uwolnienie 40Ar*. Może to spowodować, że obliczony wiek K/Ar będzie młodszy niż „prawdziwy” wiek datowanego materiału. I odwrotnie, nadmiar argonu (40ArE) może spowodować, że obliczony wiek K/Ar będzie starszy niż „prawdziwy” wiek datowanego materiału. Nadmiar argonu to po prostu 40Ar, który przypisuje się radiogenicznemu 40Ar i/lub atmosferycznemu 40Ar. Nadmiar argonu może pochodzić z płaszcza, jako pęcherzyki uwięzione w stopionym materiale, w przypadku magmy. Lub może być ksenokryształem/ksenolitem uwięzionym w magmie/lawie podczas wynurzania.
Technika datowania 40Ar/39Ar
Zasady metody 40Ar/39Ar
Technika datowania 40Ar/39Ar jest bardziej wyrafinowaną odmianą techniki datowania K/Ar. Obie techniki opierają się na pomiarze izotopu pochodnego (40Ar) i izotopu macierzystego. Podczas gdy technika K/Ar mierzy potas jako rodzica, technika 40Ar/39Ar wykorzystuje 39Ar.
Ponieważ względne obfitości izotopów potasu są znane, 39ArK (wyprodukowany z 39K przez reakcję szybkich neutronów) może być użyty jako proxy dla potasu. Dlatego, w przeciwieństwie do konwencjonalnej techniki K/Ar, nie trzeba mierzyć absolutnych obfitości. Zamiast tego, mierzone są proporcje różnych izotopów argonu, co daje bardziej precyzyjne i dokładne wyniki. Dodatkowe zalety pomiarów pojedynczych izotopów w technice 40Ar/39Ar to zmniejszony wpływ niejednorodności próbki i stosowanie mniejszych rozmiarów próbek.
Napromieniowanie próbki / Produkcja 39Ar
Ponieważ 39ArK może być produkowany tylko przez reakcję neutronów prędkich na 39K , wszystkie próbki datowane techniką 40Ar/39Ar muszą być napromieniowane w rdzeniu reaktora jądrowego. Ilość 39ArK wytworzona w dowolnym napromieniowaniu będzie zależała od ilości 39K obecnej początkowo, długości napromieniowania, gęstości strumienia neutronów i przekroju wychwytu neutronów dla 39K. Jednakże, ponieważ każdy z tych parametrów jest trudny do określenia niezależnie, wzorzec mineralny lub monitor o znanym wieku jest napromieniowywany wraz z próbkami o nieznanym wieku. Strumień monitora może być następnie ekstrapolowany na próbki, określając w ten sposób ich strumień. Strumień ten znany jest jako „J” i może być określony następującym równaniem:
Oprócz produkcji 39Ar z 39K, podczas napromieniowania próbek zachodzi kilka innych reakcji „interferencyjnych”. Inne izotopy argonu powstają z potasu, wapnia, argonu i chloru. Są to:
Jak ilustruje powyższa tabela, kilka „niepożądanych” reakcji zachodzi na izotopach obecnych w każdej próbce geologicznej. Te produkowane przez reaktor izotopy argonu muszą być skorygowane w celu określenia dokładnego wieku. Monitorowanie reakcji zakłócających odbywa się za pomocą soli laboratoryjnych i szkieł. Na przykład, aby określić ilość 40Ar powstałego w reaktorze z 40K, napromieniowuje się próbki szkłem bogatym w potas. Stosunek 40Ar/39Ar w szkle jest następnie mierzony w spektrometrze masowym w celu określenia współczynnika korekcyjnego, który musi być zastosowany do reszty próbek w tym napromieniowaniu. CaF jest również rutynowo napromieniowywany i mierzony w celu wyznaczenia współczynników korekcyjnych 36Ar/37Ar i 39Ar/37Ar. Pożądana” produkcja 37Ar z 40Ca pozwala nam określić, ile 36Ar i 39Ar należy skorygować, jak również stosunek K/Ca w próbce. Pożądana produkcja 38Ar z 37Cl pozwala nam określić ile chloru jest obecne w naszych próbkach. Sól KCl jest napromieniowywana w celu wyznaczenia stosunku produkcji 38Ar/39Ar, który może być następnie zastosowany do innych próbek w celu wyznaczenia stosunku K/Cl.
Wyznaczanie wieku 40Ar/39Ar
Po wyznaczeniu J (parametru strumienia neutronów), 40Ar* i 39ArK (tj.
Ponieważ technika 40Ar/39Ar opiera się na proporcjach zamiast na wielkościach bezwzględnych, jesteśmy w stanie wyekstrahować i zmierzyć wiele porcji argonu z jednej próbki. Wielokrotna ekstrakcja argonu może być przeprowadzona na próbce na kilka sposobów. Podgrzewanie etapowe jest najbardziej powszechnym sposobem i obejmuje piec lub laser do równomiernego podgrzewania próbki w celu wyewoluowania argonu. Pojedynczy wiek z każdego etapu ogrzewania jest następnie wykreślany graficznie na spektrum wiekowym lub izochronie. Mechaniczne zgniatanie jest również techniką zdolną do uwalniania argonu z pojedynczej próbki w wielu etapach.
Sondy laserowe również pozwalają na określenie wielu wieków na pojedynczej porcji próbki, ale robią to przy użyciu dokładnej i precyzyjnej kontroli przestrzennej. Na przykład, plamki lasera o rozmiarach 100 mikronów lub mniejszych pozwalają użytkownikowi na wyodrębnienie wielu próbek argonu z całego małego ziarna miki lub skalenia. Wyniki z sondy laserowej można wykreślić na kilka sposobów graficznych, w tym mapę ziarna pokazującą boczne rozmieszczenie argonu.
40Ar/39Ar całkowita synteza próbki jest porównywalna z określeniem wieku K/Ar w tym sensie, że polega na hurtowym uwolnieniu argonu w jednym czasie. Jednakże, w przeciwieństwie do konwencjonalnego K/Ar, całkowita synteza 40Ar/39Ar mierzy proporcje, co czyni ją idealną dla próbek, o których wiadomo, że są bardzo zatrzymujące argon (np. sanidyna). Całkowita synteza jest wykonywana przy użyciu lasera, a wyniki są powszechnie umieszczane na wykresach rozkładu prawdopodobieństwa lub ideogramach.
Niektóre problemy z techniką 40Ar/39Ar.
Standardowa interkalibracja
Aby wiek mógł być obliczony techniką 40Ar/39Ar, parametr J musi być znany. Aby określić J, standard o znanym wieku musi być napromieniowany z próbkami o nieznanym wieku. Ponieważ ten (pierwotny) wzorzec ostatecznie nie może być wyznaczony metodą 40Ar/39Ar, musi być najpierw wyznaczony inną metodą datowania izotopowego. Metodą najczęściej stosowaną do datowania wzorca pierwotnego jest konwencjonalna technika K/Ar. Pierwotny wzorzec musi być minerałem jednorodnym, obfitym i łatwo datowanym metodami K/Ar i 40Ar/39Ar. Tradycyjnie, takim wzorcem pierwotnym jest hornblenda z Gór McClure w Kolorado (a.k.a. MMhb-1). Po określeniu dokładnego i precyzyjnego wieku dla standardu pierwotnego, inne minerały mogą być datowane w stosunku do niego metodą 40Ar/39Ar. Te wtórne minerały są często wygodniejsze do datowania techniką 40Ar/39Ar (np. sanidyn). O ile jednak często łatwo jest określić wiek wzorca pierwotnego metodą K/Ar, o tyle trudno jest różnym laboratoriom datującym dojść do porozumienia co do ostatecznego wieku. Podobnie, z powodu problemów z heterogenicznością próbki MMhb-1, wiek K/Ar nie zawsze jest powtarzalny. Ta niedokładność (i niedokładność) przenosi się na minerały wtórne wykorzystywane codziennie przez technikę 40Ar/39Ar. Na szczęście dostępne są inne techniki pozwalające na ponowną ocenę i sprawdzenie bezwzględnego wieku wzorców używanych przez technikę 40Ar/39Ar. Niektóre z nich obejmują inne izotopowe techniki datowania (np. U/Pb) oraz astronomiczną skalę czasu polaryzacji (APTS).
Stałe rozpadu
Innym zagadnieniem wpływającym na ostateczną precyzję i dokładność techniki 40Ar/39Ar jest niepewność w stałych rozpadu dla 40K. Niepewność ta wynika z 1) rozgałęzionego schematu rozpadu 40K i 2) długiego okresu połowicznego zaniku 40K (1,25 mld lat). W miarę postępu technologicznego, jest prawdopodobne, że stałe rozpadu używane w równaniu wieku 40Ar/39Ar będą coraz bardziej wyrafinowane, pozwalając na znacznie dokładniejsze i precyzyjniejsze określenie wieku.
Współczynnik J
Ponieważ wartość J jest ekstrapolowana ze standardu na nieznany, dokładność i precyzja tej wartości J jest krytyczna. Niepewność wartości J może być zminimalizowana przez ograniczenie geometrii wzorca w stosunku do nieznanego, zarówno w pionie jak i w poziomie. NMGRL robi to poprzez napromieniowanie próbek w obrabianych maszynowo dyskach aluminiowych, gdzie wzorce i niewiadome zmieniają się co drugą pozycję. Błąd J może być również zmniejszony przez analizowanie większej ilości podwielokrotności monitora strumienia na standardową lokalizację.
39Ar Recoil
Wpływ napromieniowania na potasonośne skały/minerały może czasami skutkować anomalnie starym wiekiem pozornym. Jest to spowodowane utratą netto 39ArK z próbki przez odrzut (energia kinetyczna nadana atomowi 39ArK przez emisję protonu podczas reakcji (n,p)). Odbicie jest prawdopodobne w każdej próbce potasonośnej, ale staje się znaczącym problemem tylko w przypadku bardzo drobnoziarnistych minerałów (np. gliny) i szkła. Dla próbek wielofazowych, takich jak bazaltowe wholerocks, redystrybucja 39ArK może być większym problemem niż utrata 39ArK netto. W tym przypadku 39Ar może ulec odspojeniu od niskotemperaturowego, wysokopotasowego minerału (np. skalenia K) do wysokotemperaturowego, niskopotasowego minerału (np. piroksenu). Takie zjawisko miałoby duży wpływ na kształt widma wiekowego.